從瓶子里往杯中倒啤酒，急性子的人，把瓶子拿得很高，有點象倒大碗茶似地，讓啤酒水柱沖向杯底，結(jié)果總是倒?jié)M一杯泡沫，泡沫流淌得一桌子，待泡沫消失后，杯子里的啤酒卻所剩無幾。
熟練的服務(wù)員則將杯子盡可能傾斜，將瓶口緊靠杯沿，讓啤酒緩慢地沿杯壁流向杯底，隨著杯子里啤酒增多，再徐徐將杯子傾角調(diào)正到豎直的位置，這樣可以倒?jié)M一杯啤酒而不產(chǎn)生多少泡沫。人們不無詼諧地把這種倒啤酒的竅門總結(jié)為三個含諧音的成語：“歪門斜倒(邪道)，杯壁(卑鄙)下流，改斜(邪)歸正。”
啤酒、香檳酒、可樂等清涼飲料，都是二氧化碳的過飽和溶液。在不密封的條件下，二氧化碳也會慢慢分離而散逸到空氣中去。新鮮的這類清涼飲料，含二氧化碳愈多品質(zhì)就愈高。這也正是往杯中倒啤酒帶來麻煩的原因。
我們把前面說的兩種倒啤酒的方法稱為直沖式與斜溜式。為什么斜溜式產(chǎn)生的泡沫少，而直沖式的倒法產(chǎn)生的泡沫多呢？要回答這個問題得從氣體的溶解度開始研究。
二氧化碳溶解到水中的量，通常用單位體積水能溶解多少體積的二氧化碳來度量，稱為溶解度，是同溫度和壓強有關(guān)的量。溫度低時溶解度大，高時溶解度小。在高壓下溶解度大，低壓時溶解度小。如果在高壓強條件下新鮮啤酒突然減小壓強，就會分離出二氧化碳而冒泡。在密閉的容器里，冒出的氣泡使容器內(nèi)的壓力升高后，達到高壓下溶解度，氣泡就不再冒了。我們在開香檳酒瓶時，聽到“啪”地一聲，報上也曾看到開啤酒瓶，瓶蓋飛出傷人的消息，這都是因為容器里壓力較高的緣故。
歷史上有過一則有趣的事。上世紀中，在倫敦的泰晤士河床下打了一條隧道，當(dāng)隧道峻工時，當(dāng)?shù)卣缛宋镌谒淼览锱e行慶典。令人掃興的是發(fā)現(xiàn)帶到隧道來的香檳酒都跑了氣而無味。然而當(dāng)慶典過后人們走出隧道回到地面時，不幸的事發(fā)生了，酒在肚子里發(fā)脹了，氣從鼻子嘴里不斷冒出來，有的人穿的馬甲被脹開，有的人不得不重新返回隧道以減輕這突然襲來的痛苦。
所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因為隧道比地平面低數(shù)百米，那里氣壓較高，二氧化碳溶解度也高，所以香檳酒就像跑了氣似地?zé)o味。等回到地面，氣壓低了，二氧化碳分離出來，把紳士們的肚子撐了開來。通常在海平面，每升高100米，氣壓降低2190Pa，氣壓的這種微小的變化，對于過飽和的二氧化碳溶液氣體分離與否表現(xiàn)得很明顯。
現(xiàn)在再來討論往杯子里倒啤酒的問題。靜止在杯中的啤酒，壓強各處基本上是均勻的，上層壓強略小于杯底，所以也是表面冒泡稍多。但是如果杯里的啤酒產(chǎn)生了不均勻流動，則各點上的壓強是不同的，從流體力學(xué)伯努利定律知道，沿一根流線，速度大的局部壓強小。這些速度大的地方便會產(chǎn)生大量的二氧化碳氣泡。為了說明這一事實，取一杯靜止的新鮮啤酒，我們看到它基本上不冒氣泡。如果用一根筷子一攪，就會發(fā)現(xiàn)在筷子運動的尾部會冒出大量氣泡，正是那里壓強較低的緣故。如果把筷子在杯里作圓形攪動，使杯中啤酒旋轉(zhuǎn)起來，拿出筷子，啤酒在杯中形成旋渦，理論分析知道旋渦中心壓強小，所以那里還有一串氣泡，就像在陸地上看到的龍卷風(fēng)一樣，非常有趣。關(guān)于渦旋中心壓強小的事實，在江河里游泳的人會有親切的體會，游泳到旋渦邊上，會被吸進去，是非常危險的。
這就是說，如果你想讓啤酒不冒泡地倒?jié)M杯子，你就應(yīng)當(dāng)在倒的過程中，盡量減小啤酒杯中液體的相對速度，盡可能使注滿杯子的過程變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)。前面說的直沖式之所以不適用，就是因為這種方式使啤酒柱有較大的動量，從而杯中的啤酒速度差加大，而且形成大量的小旋渦。而斜溜式，一方面降低了啤酒從瓶口到接觸杯子這段落差，使啤酒入杯時的動能減小; 另一方面杯子傾斜可以將啤酒柱對杯子的正沖擊變?yōu)樾睕_擊，從而減小啤酒接觸瞬時的動量改變; 再者斜溜過程，增加啤酒溜到杯底的路程，在這溜的過程中杯壁近處的邊界粘性層造成對啤酒的阻力也可以減小啤酒到達杯底的速度。所以它基本上滿足盡可能準(zhǔn)靜態(tài)的要求。整個過程中泡沫較少。
啤酒中含二氧化碳較多，為什么喝起來就會覺得舒服，其中一個重要原因是二氧化碳溶解度與溫度的依賴關(guān)系。當(dāng)你倒?jié)M一杯冰過的碑酒后，試用一根筷子插入杯中。你就會發(fā)現(xiàn)筷子周圍爬滿了小氣泡。這是因為筷子初始溫度比啤酒高，筷子周圍啤酒中的二氧化碳在溫度高時溶度小，便分離出來爬在筷子上。同樣啤酒喝進體內(nèi)，體內(nèi)溫度比啤酒高，在從口、食道與胃壁的粘膜上也會很快地附著大量的氣泡。我們還知道氣泡的熱傳導(dǎo)效率是比較低的。這樣，當(dāng)你喝了比體溫低很多的清涼飲料時并不會有過份冰涼的感覺。我們知道，粘膜驟然溫度下降，會使它附近的血管收縮，神經(jīng)活力降低，同時消化能力和胃口也相應(yīng)地變得遲鈍。啤酒中氣泡的作用也正是使人既覺得涼爽又不致倒胃口而保持旺盛的消化能力。由于這個原因，你也許注意到，在炎熱夏季，當(dāng)你吃完一杯冰激凌再開始吃飯，會覺得胃口不佳，而喝完涼啤酒再吃飯，還會吃得津津有味，這就是因為后者產(chǎn)生氣泡的緣故。
所以，為了啤酒好喝，必須注意從釀造、貯運、從瓶中往杯中倒等一系列環(huán)節(jié)中，不使二氧化碳跑掉，以使它進入口中以后能產(chǎn)生較多的小氣泡。在貯運過程中，要避日光曝曬，要適當(dāng)降溫; 不要過分激烈地搖晃，以免二氧化碳過多跑掉。否則即使在密閉容器中，會使分離出的二氧化碳氣體壓力過高，導(dǎo)致爆炸事故。還要注意在倒啤酒時，利用斜溜式，而不要在“入口”前這最后一道程序上跑掉過多的二氧化碳。還應(yīng)當(dāng)提及的是啤酒中氣泡形成不僅與壓強和溫度有關(guān)，還和一定的氣化核心有關(guān)。氣泡總是先在微小的固體近處、或瓶子內(nèi)表有毛刺處形成。試往啤酒杯里放一小撮砂子，隨著砂子下沉，啤酒就會像開了鍋一樣冒出大量氣泡。而且，微小氣泡一旦形成，氣泡自己又可以作為氣化核心而加速氣泡的形成。所以啤酒冒泡在實際上是如同雪崩一樣的非線性過程。即，氣泡愈多便愈容易增加氣泡。所以一旦大量氣泡冒出來，便會以迅雷不及掩耳的方式溢出杯子。即使停止倒啤酒也還會再冒一陣，直至二氧化碳跑得差不多了才會停下來。
在生活中把這種多了就更多，少了就更少的非線性現(xiàn)象稱為馬太效應(yīng)。它來自圣經(jīng)上馬太福音中的一句話：“凡有的，還要加給他，叫他有余；沒有的連他所有的也要奪過來”。這種效應(yīng)在力學(xué)與物理學(xué)中，隨處都可以遇到。河道彎了，由于流動沖刷就更彎；地不平了，在逕流沖刷下就更不平；大氣電離了，局部就更易于電離直至放電。一定程度上窮富差別加大，股市行情暴漲暴落，經(jīng)濟危機等都是馬太效應(yīng)。我們這里說的啤酒冒泡也是。要想精確地描述啤酒冒泡的非線性過程，還不是一件十分容易的事，因為泡沫是一種分形結(jié)構(gòu)，不同尺度的泡沫行為也不同。
討論完啤酒，我們來看一看水，它和啤酒同是液體。啤酒里溶解的是二氧化碳，水呢？水中通常溶有少量空氣，進一步說，水的分子群可以轉(zhuǎn)化為氣體——水蒸氣。在這一點上說，它同啤酒沒有什么不同。不同的是，水分子在較低的壓強下才會變?yōu)闅怏w，產(chǎn)生氣泡，這種氣泡稱為空泡，也稱為空穴?？张萦袝r小到直徑只有10-5厘米，可別小看這種不起眼的空泡，它曾經(jīng)是而且現(xiàn)在還是航海事業(yè)的可怕障礙。
1894年，英制240噸的小型驅(qū)逐艦“勇敢號”初試航時，螺旋槳轉(zhuǎn)速只能達到384轉(zhuǎn)，比額定設(shè)計轉(zhuǎn)速低1.54%，幾經(jīng)調(diào)試，直到1897年，總工程師Barnaby才在造船工程師會上發(fā)表論文說明最初成績不良是由于螺旋槳發(fā)生了空泡現(xiàn)象。過了20年，1915年，英制的新魚雷艇“德林”號駛?cè)氪笪餮笤囼?，它的設(shè)計速度比前一型號大一倍，但是當(dāng)艦艇機器以最大轉(zhuǎn)速工作時，艇尾抖動，尾部海水泡沫翻騰，猶如倒啤酒時一樣，速度和前一型號一樣。當(dāng)魚雷艇回到基地時，螺旋槳已破爛不堪了。這又是空泡在搗亂。直到1971年，有人對上千艘船做了調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中有30%的螺旋槳在使用一年后，由于空泡造成不同程度的損傷。
為了研究空泡產(chǎn)生的機理及其作用，人們從上世紀就開始了理論與實驗研究。1895年，英國建造了專門研究空泡問題的小型水洞，隨后在本世紀20～30年代，英、德、法、蘇、美等國相繼建造了較大型的空泡水洞。同時理論研究也取得了相應(yīng)的進展。
高速水流為什么會冒氣泡？原來水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下（一個大氣壓相當(dāng)于101325Pa)，溫度達到100℃，水就會沸騰，“沸騰”就是水內(nèi)部能冒氣泡的現(xiàn)象。不同溫度下，水沸騰的壓強是不同的，這個壓強稱為飽和蒸氣壓，也稱蒸氣壓。水在不同溫度之下的飽和蒸氣壓為：
溫度/℃ 0 20 40 60 80 100 120
蒸氣壓/Pa 600.66 2338.1 7381.2 14934 47377 101325 198490
由此可見，在壓強為2338.1Pa時，水在20℃就開了，這種在常溫下沸騰的現(xiàn)象，可以稱作“冷沸騰”。在海拔4000米以上的高原地面，由于那里的氣壓低，沸點只有86℃，所以在那里煮東西不容易熟。在壓強達到198 490Pa時，即約不到兩個大氣壓時，水到120℃才開，這個壓強差不多是通常高壓鍋的壓強。
前面說過，流體高速運動，會造成局部壓力減小，特別是高速艦船、螺旋槳、魚雷等在水中運動時，會造成局部水的壓強很大，達到常溫下的蒸氣壓。這就是高速航行水中產(chǎn)生氣泡的原因。一旦產(chǎn)生了空泡現(xiàn)象，阻力就會加大，產(chǎn)生氣泡會消耗大量的能量。所以船速再也上不去了。如果不采取對空泡問題的特殊對策，那么大部分大船速度將超不過26節(jié)(約14米/秒)。
然而空泡對航海帶來的危害還不止如此，問題是空泡在低壓區(qū)形成后，隨著流動流到高壓區(qū)，在那里壓力增高，空氣泡無法存在而閉合。空氣泡閉合會造成類似于爆炸的高壓，甚至?xí)_到100000大氣壓。在這種大氣壓下，任何金屬材料都會被破壞，于是螺旋槳很快便被空泡咬得百孔千瘡。類似的問題在大型水電站與大型水壩上也產(chǎn)生過，泄流洞水速高了，水泡可以侵蝕洞壁，水電站渦輪機葉片可以在幾天之內(nèi)被水泡吃掉數(shù)十毫米厚。
水滴石穿，不間斷的水滴可以將堅硬的石頭打穿。起先，人們認為是由于水流長時間沖刷造成的，原來也是由于空泡在起作用。隨著高速攝影機的發(fā)展，有人以每秒1500張的攝影機對準(zhǔn)液滴“著陸”的地方。液滴由圓而扁然后四散濺開，就在這一瞬間在液滴中心附近的一些局部流速相當(dāng)大，足以達到產(chǎn)生空泡的低壓。于是空泡逐漸將堅硬的石頭咬去。在濤濤流動的江河中，流水拍擊巖岸，“亂石穿空、驚濤裂岸”，水的這種作用，恐怕也是空泡在作怪。
細心的讀者可能已注意到：將一杯剛煮開的水潑到地面，聽到的是噗地一響，而冷水潑到地面，則聽到清脆的啪地一響。這響聲的不同也是由于氣泡。如果你將一杯新鮮的啤酒潑向地面，響聲同潑開水一樣。剛煮開的水近于100℃，往地下一潑，水與地面沖擊，流體的局部速度較大，因而壓強減小，這個小的壓強會使流體重新沸騰起來，在地面與水之間隔著一層氣泡當(dāng)然與沒有氣泡聽起來響聲不同了，而冷水向地面沖擊時局部壓強降低不足以使流體沸騰。
拿一把鋁壺，燒一壺開水，當(dāng)水滾開時，你一只手將壺提下爐子并輕輕將壺底放在另一只手上。這時你竟然會發(fā)現(xiàn)，這只手可以托起整個茶壺而不感到燙手。這又是水泡在起作用。原來剛燒開的壺底壁上爬著一層細微的水泡。它隔熱性能很好，當(dāng)你用手托壺底時，壺底鋁的熱容量較小，很快與手溫平衡，而壺中水的熱量卻由于一層氣泡的隔熱，使手不感到發(fā)燙。不信請試試。
本世紀初，人們逐漸認識了超聲現(xiàn)象。1917年法國科學(xué)家郎之萬發(fā)明了壓電晶體超聲波發(fā)生器，之后超聲波進入了應(yīng)用研究階段。值得注意的是，超聲波在水中傳播引起水的局部高頻振蕩，這種振蕩產(chǎn)生的負壓足以產(chǎn)生空泡，從而使超聲波在清洗零件，乳化，加速化學(xué)反應(yīng)與粉碎方面得到廣泛應(yīng)用。
也正好是在1917年，英國學(xué)者瑞利，首先計算了不可壓流體中球形空泡閉合時，可以在中心造成無窮大的壓強。當(dāng)液體是可壓時，這個壓力雖不是無窮大，但仍非常大。
對空泡的認識至此卻遠沒有終止。早在60年前，人們就發(fā)現(xiàn)當(dāng)把超聲波通到水中，頃刻之間水中可以發(fā)出光來。這個現(xiàn)象一直沒有得到合理的解釋。直到1959年人們才首次論證，光是由空泡破滅時產(chǎn)生巨大能量集中所發(fā)出來的。
據(jù)最近英國《新科學(xué)家》雜志報道，近幾年來，人們逐漸用更精確的模型來計算這一現(xiàn)象。先后有3個美國人得到了不同的結(jié)果。1986年一個美國人算出氣泡破滅可以造成5000K的高溫，1993年又有人改進計算，說是可以達到7000K的高溫，這已經(jīng)是太陽表面的溫度了。到1994年11月美國全國聲學(xué)會議上，有人宣布用精細模型并用計算機算得，氣泡破滅時的溫度可以達到2 000 000K，這個溫度是聚變熱核反應(yīng)所需溫度的一半。
如果這些計算理論是對的，我們又能夠依靠近代技術(shù)去實現(xiàn)的話，說不定空泡還是一條通向可控?zé)岷朔磻?yīng)的可行途徑呢! 這是一個多么誘人的前景??！退一步講，即使達不到所計算的高溫，人們不是也可以利用這一超常的高溫去開辟許多新的應(yīng)用領(lǐng)域嗎！
啤酒冒氣泡可以帶來美味，也可以帶來麻煩。同樣，空泡可以是危險分子，也可以為人類工作。天下大事，有一利必有一弊。而怎樣除弊興利，全靠對它的機理有充分的了解。倒啤酒尚且如此，對待空泡更如是。
北京大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系吳望一教授曾就本文提出寶貴意見，
特此致謝。
參考文獻
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